Materiales cerámicos

MATERIALES CERÁMICOS

• Son compuestos o soluciones compuestas.

• Químicamente sus átomos se unen mediante enlaces iónicos y covalentes.

• Son duros y frágiles, de alto punto de fusión.

• Malos conductores, baja conductividad térmica y eléctrica.

• Estabilidad química y eléctrica.

• Resistentes a la compresión.

• MATERIALES CERÁMICOS NO CRISTALINOS

• Grupo más representativo.

• Solidifican sin cristalizar.

• El vidrio es semejante a un liquido subenfriado.

• VIDRIO: unión de tetraedros de sílice.

estructura reticular no cristalina

tres tipos de vidrio:

• Vidrio de silicato:

• Sílice fundida, obtenida a partir de SiO2.

tiene alto punto de fusión.

• Tiene óxidos adicionales que actúan como óxidos formadores de vidrio.

• La sílice se comporta como formadora de vidrios.

• Los óxidos intermedios, de plomo o de aluminio no forman vidrios por si solos sino que se incorporan a la estructura reticular de los formadores de vidrio.

• La adición de modificadores, como el óxido de calcio o de sodio, provocan la desvitrificación o cristalización.

• Vidrios modificados:

• Los óxidos modificadores rompen la red de sílice cuando la relación oxigeno - sílice se incrementan significativamente.

• Vidrios no silicatados:

• Vidrios producidos a partir de BeF2, GeO2, fosfato de aluminio o de boro.

• Estructura tetraédrica.

• El vidrio de Borato (B2O3) combina unidades triangulares en forma de tetraedro.

• DIAGRAMA DE FASES DE LOS MATERIALES CERÁMICOS

• Presentan soluciones sólidas, capas de miscibilidad y reacción de tres fases.

• Al igual que en los diagramas de los metales se puede aplicar la ley de la palanca para realizar los cálculos de determinación de las fases y de las composiciones de equilibrio.

Tº Línea de liquidus

L + S L + S

L + S

Línea de solidus

% A % B

• COMFORMACIÓN DE MATERIALES

• Son fabricados compactando polvos en matrices que son posteriormente calentados a altas temperaturas para enlazar las partículas entre sí.

• Etapas:

• Preparación del material.

• Moldeado o fundido.

• Tratamiento térmico por secado u horneado a altas temperaturas.

• Preparación de materiales

• Los productos están fabricados por aglomeración de partículas. (exceptuando el vidrio y el hormigón)

• Se pueden añadir aglutinantes y lubricantes, tanto en seco como en húmedo.

• Materias primas variadas en función de de las propiedades requeridas.

• Técnicas de conformado

• Prensado en seco:

• Se utiliza para fabricar productos refractarios y componentes cerámicos electrónicos.

• Tiene lugar al compactar polvos finamente granulados de materias primas con pequeñas cantidades de agua o pegamentos de origen orgánicos en un troquel.

• Se procede a un calentamiento (sinterizado) con el fin de que la pieza adquiera las fuerzas y microestructura deseadas.

• Compactación isostática:

• Los polvos cerámicos se cargan en una matriz flexible (caucho).

• La matriz se encuentra dentro de un fluido hidráulico al que se le aplica presión.

• Las fuerzas compactan el polvo de manera uniforme en todas las direcciones.

• Se somete al calentamiento para obtener la microestructura.

• Compresión en caliente:

• Se obtienen piezas de alta densidad y propiedades mecánicas optimizadas.

• Combinación de la presión y los tratamientos térmicos.

• Utilización de presiones unidireccionales como isostáticas.

• Moldeo en barbonita:

• Proceso de fundición por revestimiento.

• Etapas:

• Preparación del material cerámico en polvo y de dura emulsión (arcilla y agua) que forman una mezcla estable (barbonita).

• Moldeo de la barbonita en un molde poroso (yeso), que permite la absorción de la parte líquida por el molde. A medida que se absorbe el líquido, se forma una capa de material más o menos dura en la pared del molde.

• Cuando se a conseguido el grosor deseado el exceso de barbonita se desaloja de la cavidad.

Podemos dejar que el molde se llene totalmente, este método se denomina fundición compacta.

• Se deja el material dentro del molde hasta que alcance la resistencia necesaria para posteriormente desmoldear.

• Se efectúa un calentamiento para conseguir las propiedades y microestructura deseadas.

• Extrusión:

• Los materiales cerámicos en estado plástico se pueden extrusionar a través de un troquel de embutir.

• Tratamientos térmicos

Ultima etapa a seguir en el proceso de conformación de un material cerámico. Existen varias formas para llevarlo acebo:

• Secado y eliminación de aglutinante:

• Es necesario eliminar el agua antes de someter el cuerpo a altas temperaturas.

• La humedad se elimina calentando a 100ºC.

• Los aglutinantes orgánicos se eliminan a partir de los 200ºC hasta los 300ºC.

• Sinterización:

• Pequeñas partículas se unen pos difusión al estado sólido.

• OBJETIVO: transformación de un producto poroso en compacto.

• Se conseguirá calentando a altas temperaturas sin sobre pasar el punto de fusión.

• Vitrificación:

• Determinados productos cerámicos tienen una base vítrea.

• Esta fase sirve como medio de reacción para que la difusión pueda tener lugar a menos temperatura que el resto de materiales cerámicos.

• Mientras dura el tratamiento a altas temperaturas, la fase vítrea se licua y rellena los poros del material.

• Esta fase puede reaccionar con algún producto restante del material refractario.

POLIMEROS

• Moléculas gigantes de origen orgánico.

• Pesos moleculares muy grandes.

• Proceso de obtención: POLIMERIZACIÓN.

• Son ligeros, resistentes a la corrosión y buenos aislantes eléctricos.

• Tienen poca resistencia mecánica y no son adecuados para usarlos a altas temperaturas.

• CLASIFICACIÓN DE LOS POLIMEROS

Clasificación de los polímeros teniendo en cuenta:

• Mecanismos químicos de polimerización.

• Estructura espacial.

• Comportamiento frente a determinadas variables.

• En función del mecanismo de la relación de polimerización, existen:

• Polímeros por adición, se forman uniendo moléculas simples mediante enlaces covalentes genera grandes cadenas que pueden tener miles de monómeros a lo largo de su longitud.

• Polímeros por condensación, se producen mediante una reacción química que forma un producto colateral como puede ser el agua.

• En función de la estructura del polímero, se encuentran:

• Polímeros en cadena, los lineales forman largas cadenas que pueden contener miles de monómeros. Estas cadenas pueden estar formadas por reacciones de adición o de condensación.

• Poli9meros en red, son estructuras reticulares tridimensionales, que se forman a través de un proceso de enlaces cruzados mediante una reacción de adición o condensación.

• En función del comportamiento del polímero frente al calor, se encuentran:

• Polímeros termoplásticos, se comportan de forma plástica a elevadas temperaturas, la naturaleza de sus enlaces no se modifica radicalmente cuando aumentamos la temperatura. Pueden ser conformados en caliente, enfriados y posteriormente, tras recalentarlos, no varían sus comportamientos. Tienen estructura lineal.

• Polímeros termoestables, están formados por reacciones de condensación y tienen estructura de red. No pueden ser reprocesados después de haber sido conformados, debido a que partes de las moléculas resultantes de la reacción de condensación han sido del material.

• Polímeros elastómeros, tienen un comportamiento intermedio, pero su propiedad más característica es la capacidad de deformarse elásticamente sin cambiar permanentemente su forma.

• GRADO DE POLIMERIZACIÓN

• Describe la longitud promediada a la cual crece una cadena.

• El grado de polimerización corresponde al número promedio de moléculas o monómeros que están presentes en la cadena.

• Se puede definir este grado como:

Grado de polimerización = Peso molecular del polímero / Peso molecular del monómero

cuando la cadena está compuesta por más de un tipo de monómero, podemos calcular el peso molecular promedio:

M =  fi Mi

fi = Fracción molecular de monómeros que tiene peso molecular Mi

si la cadena polimérica se forma por condensación, el peso molecular del subproducto secundario que se obtiene debe restarse al del monómero:

M =  (fi Mi - Mproducto secundario)

• CONFORMACIÓN DE POLÍMEROS

• Los polímeros termoplásticos, se calientan a una temperatura cercana al punto de fusión, para que se conviertan en plástico o líquido, posteriormente es inyectado dentro de un molde o forzado a pasar a través de una boquilla.

• Existen pocas técnicas de conformado para polímeros termoestables, debido a que una vez ocurrida la polimerización, definida la estructura reticular, no se pueden volver a conformar más.

• Los elastómeros después de vulcanización no se pueden conformar de nuevo.

• Técnicas de conformado de polímeros termoplásticos

• Extrusión, el termoplástico caliente es forzado a fluir a través de una boquilla.

• Moldeo por soplado, un globo caliente de polímero se introduce en un molde, mediante un gas a presión, se expande contra las paredes del molde.

• Moldeo por inyección, los termoplásticos calentados por encima de la temperatura de fusión se pueden introducir dentro de un molde cerrado. Un embolo o mecanismo sinfín ejerce la presión necesaria para forzar es polímero dentro del molde.

• Conformado al vacío, las láminas termoplásticas calentadas dentro de la zona plástica se colocan sobre u molde conectado a un sistema de vacío. El propio vacío tira de la lámina que se proyecta sobre el molde adoptando su forma.

• Calandrado, se vierte plástico fundido sobre un grupo de rodillos con una pequeña apertura. Los rodillos generan una fina capa de polímero.

• Hilado, en realidad es un proceso de extrusión. El polímero termoplástico es forzado a pasar a través de una boquilla oradada por multitud de pequeños agujeros. La boquilla o dado se denominan hilador.

• Técnicas de conformado de polímeros termoestables

• Moldeo por compresión, se coloca el material sólido sobre un molde caliente. La aplicación de temperaturas y presiones altas implica que el polímero se licue, llene el molde, e inmediatamente después comience a endurecerse.

• Moldeo por transferencia, el polímero es calentado en el intercambiador y, después de fundido, se inyecta en el molde adyacente. Combina elementos del moldeo por presión y de inyección.

TERMOPLÁSTICOS

• POLIETILENO

• Entre transparente y blanquecino.

• Existen dos tipos de polietileno:

LDPE, de baja densidad

HDPE, de alta densidad.

• Gran tenacidad a temperatura ambiente y bajas temperaturas.

• Buena flexibilidad en un amplio rango de temperaturas.

• Excelente resistencia a la corrosión.

• Buenas propiedades aislantes.

• CLORURO DE POLIVINILO, PVC

• Alta resistencia química

• Facilidad para ser mezclado con gran variedad de aditivos.

• Amplia gama de propiedades químicas y físicas

• Compuestos que se adicionan: plastificantes, estabilizadores de calor, lubricantes, productos de relleno y pigmentos.

PVC sin aditivos: es difícil de procesar y tiene una resistencia al impacto baja.

PVC plastificado: la adición de plastificantes aumenta las propiedades de plasticidad, flexibilidad y extensibilidad.

• POLIPROPILENO, PP

• Se sinteriza a partir de productos petrolíferos muy baratos.

• Amplia gama de propiedades.

• Buena resistencia química a la humedad y al calor.

• Baja densidad.

• Buena dureza superficial.

• Notable flexibilidad.

• POLIMETILMETACRILATO, PMMA

• Termoplástico duro, rígido y transparente.

• Buena resistencia a las inclemencias del tiempo.

• Es más resiste al impacto que el vidrio.

• POLIAMIDAS (NÁILONES)

• Son termoplásticos procesables por fusión, aunque la mayoría son procesados por extrusión e inyección.

• Óptima capacidad de carga a elevadas temperaturas.

• Buena tenacidad.

• Baja fricción.

• Buena resistencia química.

• POLICARBONATOS

• Alta resistencia, tenacidad y estabilidad dimensional.

• Buenos aislantes térmicos y son transparentes.

• Resistente a gran variedad de productos químicos.

• Son atacados por algunos disolventes.

• POLIÉSTERES

• Baja absorción de la humedad.

• Resistente a muchos productos químicos.

• Son aislantes.

ELASTÓMEROS

• CAUCHO MATURAL

• Materia prima de la que se obtiene: LÁTEX

Látex: líquido lechoso que se extrae de un árbol tropical: Hevea brasiliensis.

• Se somete a un procedimiento químico llamado: “vulcanizado”

Vulcanizado: las moléculas de polímero se unen unas con otras para dar origen a otras más voluminosas.

• Resistencia a la tracción relativamente baja.

• Sus elongaciones son muy altas

• NEOPRENO

• Caucho sintético.

• Mala flexibilidad a bajas temperaturas.

• Buena resistencia frente a la gasolina y los aceites.

• CAUCHOS DE SILICONA. SILICÓN

• El átomo de silicio, como el del carbono, es capaz de formar moléculas de polímeros mediante enlaces covalentes.

• Los cauchos de silicona tienen la ventaja principal de poder ser utilizados dentro de un rango de temperaturas comprendido entre -100ºC y 250ºC.

POLIMEROS TERMOESTEBLES

• FENÓLICOS

• Buen aislante térmico y eléctrico.

• Fácilmente moldeados.

• Elevada dureza, rigidez, resistencia, y una notable resistencia química.

• RESINAS EPOXI

• Bajo peso molecular en estado líquidoelevada movilidad molecularse comportan como buenos lubricantes.

• Buena adhesión

• Gran resistencia mecánica y química

• Resistencia dieléctrica.

• POLIÉSTERES INSATURADOS

• Baja viscosidad.

• Susceptibles de ser mezclados con grandes cantidades de materiales relleno y reforzantes (hasta un 80% de fibra de vidrio reforzada).

• Gran resistencia a la corrosión.

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL 2º BTI TEMA 3

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